海水淡化蒸发器气密性试验的特点分析

2014-12-11曹福勤

电站辅机 2014年4期

曹福勤

（上海电气电站设备有限公司上海电站辅机厂，上海 200090）

0 概述

某型海水淡化蒸发器为12 000t／d低温多效（MED－TVC）海水淡化装置，海水淡化装置由4个大蒸发器（一效～四效）和2个小蒸发器（五效、六效）组成。如图1所示。每效蒸发器设备呈圆筒状，圆筒外径分别为Ø6 700mm和Ø5 500mm，整体长度86 000 mm，筒体壁厚为11mm，设备的主要材料为316L不锈钢板。每效蒸发器二端面有封板，内部各有2块厚度为20mm的管板及5块厚度为10mm隔板。

图1 海水淡化蒸发器示意图

1 气密性试验

1.1 试验要求

海水淡化蒸发器的密封性是一项很重要的指标。设备制成后，必须进行气密性试验。蒸发器的气密性试验，如图2所示。这是为验证设备是否具备在设计压力下运行所需的承压能力，并检验连接焊缝是否存在缺陷，确保各连接部位的密封性。通过密封性试验，才能保证蒸发器在工作压力下具有可靠的密封性能。海水淡化蒸发器气密性试验要求，如表1所示。

图2 一效蒸发器气密性试验示意图

表1 海水淡化蒸发器气密性试验要求

1.2 试验特点

在通常的气密性试验中，压力容器的密封面需进行机加工，如法兰面、水室的连接处、人孔端面等都需经过机加工后，达到气密性试验的密封要求。压力容器的接管密封是在接管的端口处焊接封板，达到密封要求。对于大型的海水淡化蒸发器，因密封的端面较大，其密封面是不经机加工的冷作件，采用厚度为4mm不锈钢钢板作为封板，密封蒸发器的端面。

端面的平面度偏差较大，且蒸发器的接管不允许采用焊接封板的密封形式，这些技术要求，给气密性试验的实施带来较大的难度。

2 气密性试验存在的问题和解决方法

2.1 一效至四效蒸发器端面盖板的设计

蒸发器气密性试验时，一效～四效的端部均有1块直径为Ø6 678mm大面积的封板，封板上有4个大缺口，如图3所示，缺口四周无螺孔可以用于压紧定位，为此，设计了整块盖板封堵该缺口，如图4、图6所示。盖板厚度为4mm，材料为Q235－A.F，采用压板螺栓将蒸发器封板及橡胶垫片压牢，压板螺栓的间距为180mm，连接方式如图5所示。由于蒸发器端面封板和工装盖板均是冷作件或焊接件，其密封面没有进行机加工，表面平面度偏差达到±1 mm。在首次气密性试验中，曾发生多处泄漏。

图3 一至四效蒸发器端面封板

图4 一效～四效的蒸发器盖板

图5 蒸发器端面封板密封示意图

2.1.1 气体泄漏原因

图6 蒸发器端面的大型封板

由于密封面的平面度偏差较大，导致密封橡胶垫片的接触状态不佳，因橡胶垫片受力不均，密封面又比较大，有些间隙无法消除。橡胶密封垫片反弹力与介质压力的分布，如图7所示。图7中，O点为橡胶垫片螺栓压紧处外侧，Pd为垫片反弹力，该反弹力是拧紧螺栓时引起垫片变形而产生的，具有由外向内递减的趋势。

图7 垫片反弹力与介质压力分布曲线图

由于介质压力Pj从内向外逐渐递减，当外界的介质压力为零时，则密封状态最佳，密封间隙S为零时，泄漏量为零，而当介质压力大于零时，则泄漏量随着介质压力的增大而增大。由此可见，在2个相邻螺栓的中间处，垫片反弹力与介质压力恰恰相反，介质压力大，此处所需的密封橡胶垫片反弹力也大，而垫片反弹力在此处恰恰为最小，该处的密封就容易被破坏，导致泄漏的发生。

2.1.2 端面封板及加强筋弯曲应力的计算

为了确保蒸发器气密性试验的顺利进行，需对端面封板及加强筋的弯曲应力进行计算，计算简图如图8所示。

图8 端面封板及加强筋位置简图

（1）端面封板弯曲应力

由上式得：σ1＝54MPa≤0.7［σ］＝0.7×113 MPa＝79.1MPa

端面封板材料为Q235－A.F，［σ］＝113MPa，根据计算可知，实取的端面封板弯曲应力小于许用应力，验算通过。

式中：σ1——端面封板弯曲应力，MPa；

P——设计压力，MPa；

l1——受压范围长度，mm；

l2——受压范围宽度，mm；

L ——加强筋长度，mm；

F ——作用力，kg；

M ——弯距，kg.mm；

H——加强筋高度，mm；

W ——加强筋厚度，mm；

A1——加强筋截面积，mm2；

d——端面封板壁厚，mm；

b——有效受力宽度，mm；

A2——端面封板截面积，mm2；

c1——形心距底部距离，mm；c1＝（A1n1＋A2n2）／（A1＋A2）；n1＝H／2＋d；n2＝d／2；

I ——总惯性矩，mm4。

（2）加强筋弯曲应力

由上式得：σ2＝48MPa≤0.7［σ］＝0.7×113 MPa＝79.1MPa

加强筋材料为Q235－A.F，［σ］＝113MPa，根据计算可知，实取的加强筋弯曲应力小于许用应力，验算通过。

式中：σ2——加强筋弯曲应力；

c2——形心距顶部距离，mm；c2＝H＋d－c1。

（3）加强筋间距

加强筋的间距计算简图，如图9所示。

图9 加强筋间距计算简图

由上式得：x1≤1 041mm

x1（加强筋实际间距）＝610mm≤1 041mm

根据计算可知，实取加强筋间距为合格。式中：PD——设计压力，MPa；

SA——端面封板许用应力，MPa；

tp——端面封板厚度，mm；

x1——加强筋间距，mm。

2.1.3 端面封板的密封改进措施

在气密性试验中，蒸发器筒体端面封板密封面有气体泄漏现象，致使气密性试验无法进行。针对此问题，为了提高筒体端面封板与盖板的密封性，将橡胶垫片55mm×6mm改为低硬度的方形橡胶8 mm×8mm，如图10、图11所示。减少了垫片的接触面积，增加密封面的单位面积压力，使方形橡胶条与筒体端面封板及盖板密封面紧密接触，防止产生气体泄漏。

图10 低硬度的方形橡胶定位在盖板上

2.2 五效与六效端面封板的设计

图11 改进后蒸发器端面封板的密封状态

产品出厂时，一效～四效蒸发器是单独件，五效～六效蒸发器是组合件，如图12所示。蒸发器端面各有1块直径为5 478mm大面积的封板，封板上有4个大缺口。在气密性试验前，需制造4块盖板封闭4个大缺口，但五效蒸发器封板处的筒体已与六效蒸发器筒体连接，整体盖板无法进入筒体。经结构分析，根据五效～六效蒸发器结构的实际情况，在五效和六效蒸发器筒体连接处，有一椭圆形人孔，其长轴长为1 020mm；短轴长为500mm，因此，将五效蒸发器的盖板设计成2块小盖板的组合件，其宽度小于椭圆形人孔长轴长度，可将盖板放入筒体内，拼装2块小盖板后，成为1块大盖板，如图13所示，然后再对准蒸发器封板的缺口合拢装配。

图12 五效与六效蒸发器气密性试验示意图

图13 五效蒸发器盖板示意图

2.2.1 五效蒸发器盖板的密封方法改进

五效蒸发器盖板由2块小盖板连接而成，在连接处，用M10螺栓将厚度为6mm的橡胶垫片压紧，达到密封要求。在第一次气密性试验中，也曾发生泄漏。泄漏原因是盖板受到筒向气体的顶压后，2块小盖板的中间连接处向外凸出，中间密封面发生了移位，橡胶垫片不能完全填充间隙空间。为了使小盖板联接处不发生泄漏，将厚度为6mm橡胶垫片改为具有良好密封性能的Ø8海绵橡胶条。将拼装好的整块盖板对准五效蒸发器的封板缺口，进行合拢装配，并拧紧全部压板螺栓，但是，在2块小盖板的连接处的存在间隙，需用真空橡胶泥塞堵间隙后进行试压，顺利地通过了气密性试验。

2.3 一效蒸发器接管密封装置的设计

蒸发器接管不允许采用焊接封板进行密封，所以，接管密封采用U型垫圈，密封状态如图14所示。密封材料为乙稀丙稀橡胶，将其套在Ø2 400 mm×10mm接管的端口上，然后盖上密封板，拧紧圆周上40个M12螺栓，密封接管的端口。

图14 接管密封装置

2.4 六效蒸发器接管密封方式

六效蒸发器的4个Ø1 219mm×8mm接管端面加工了剖口，剖口角度为32.5°，呈尖角形。当密封板被压紧时，U型橡胶垫圈易被接管端口的焊接剖口剪切，橡胶垫圈发生破裂，导致气体泄漏。故该类接管密封不能用U型橡胶垫圈。利用密封板与接管口直接紧密接触的方式进行密封，如图15、图16所示，采用涂中性RTV橡胶平面密封胶的密封方法。使用前清除密封板、接管口毛刺及油污，再将密封板对准接管口合拢装配，然后拧紧螺栓。最后在拧紧后的密封板外周上涂一圈RTV橡胶平面密封胶，待密封胶24小时固化后，进行气密性试验。

图15 大接管端面有剖口的密封形式

2.5 蒸发器人孔密封的补救方法

图16 蒸发器对外接管的密封

进行气密性试验时，发现蒸发器人孔盖的平面度较差，导致人孔密封面泄漏。原因是U型橡胶垫圈在平面度较差处的填充量不够。根据实物情况，在U型橡胶垫圈与接管端口之间安放了Ø10mm的丁晴橡胶条，如图17所示。通过增加填料厚度，提高了密封性能，杜绝了泄漏。

图17 人孔盖密封处增加橡胶条

2.6 换热管密封塞头的设计

对一效～六效蒸发器水室和二效、四效、六效蒸发器后水室进行气密性试验时，需将换热管的管口堵住，阻止气体从换热管泄漏。换热管口为Ø25.4 mm。利用具有斜度的橡皮塞头堵住换热管的管口，选择橡皮塞头斜度大小较为重要，橡皮塞头的斜度过小，在气密性试验后，塞头就不易从管内拔出；橡皮塞头的斜度过大，则塞头容易从管口处脱落，导致气体泄漏。通过数次试验，决定了橡皮塞头尺寸大小和角度，如图18所示。

图18 橡皮塞头密封示意图

2.7 提高测量精度及检测方法

为了保证测量数据的精度，采用表盘直径为200 mm、精度为0.4级的压力表，压力表的最大量程为试验压力值的2～3倍。在现场的气密性试验中，如图19所示，需在不同位置使用2个相同的压力表进行测量，当容器内充入一定压力的气体后，对所有焊缝和连接部位涂刷肥皂水进行检查，目测检查连接处是否有冒泡现象，以此判断工件是否有泄漏。